基于PGP混合加密技術(shù)的安全電子郵件系統(tǒng)研究與實現(xiàn)
2016-03-21 12:54:56吳培飛
計算機時代 2016年3期
吳培飛
摘 要： 電子郵件系統(tǒng)作為Internet上應(yīng)用最廣泛的業(yè)務(wù)之一，它的安全性越來越得到廣泛的關(guān)注和深入的研究。本文通過詳細(xì)分析PGP加密算法的基本原理、電子郵件加密安全需求和PGP技術(shù)在電子郵件系統(tǒng)中的應(yīng)用，以PGP 8.1為實例闡述了整個安全郵件的加密、解密過程，并對PGP中存在的一些安全問題，如公鑰的篡改、郵件簽名時間的偽造等給出了相應(yīng)的解決方案。
關(guān)鍵詞： 安全郵件； 加密； PGP； 解密
中圖分類號：TP393.08 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1006-8228（2016）03-39-04
Research and implementation of secure E-mail system based on
PGP hybrid encryption technology
Wu Peifei
（Information Engineering Institute， Hangzhou Vocational & Technical College， Hangzhou， Zhejiang 310018， China）
Abstract： E-mail system， as one of the most widely used services on Internet， has received more and more attention and research. Through detailed analysis of PGP encryption algorithm basic principle， E-mail encryption security demand and the PGP technology application in E-mail system， to PGP 8.1 for example describes the secure E-mail encryption and decryption process， and gives the corresponding solutions to some of the existing PGP security problems， such as the public key tampering， time signature of e-mail forgery.
Key words： secure E-mail； encryption； PGP； decryption
0 引言
電子郵件（EMAIL）是internet上最普及的應(yīng)用。特別是目前電子郵件在電子商務(wù)及電子政務(wù)中的應(yīng)用越來越廣泛，如接受客戶的訂單、傳送合同書、傳送公文等。因此電子郵件的安全需求日益增強。
雖然基于SMTP的電子郵件系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用，但郵件系統(tǒng)本身不具備安全措施，郵件在收、發(fā)、存的過程中都是采用通用編號方式，信息的發(fā)送和接受無鑒別和確認(rèn)，這些都給郵件傳遞留下了安全隱患。
安全電子郵件必須是運用各種安全機制來保障郵件在internet傳送過程中的安全性，它應(yīng)實現(xiàn)以下功能：機密性、完整性、身份認(rèn)證、不可否認(rèn)性。
為了解決電子郵件的安全性問題，人們提出了一系列的安全電子郵件協(xié)議，如PGP、S/MIME、PEM、MOSS等，通過這些協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)，來提供郵件的機密性、完整性以及不可抵賴性。在眾多的電子郵件加密系統(tǒng)中，PGP因其在解決信息保密、信息源和信息完整性鑒定方面具有良好的功能，得到了廣泛的應(yīng)用。PGP作為目前電子郵件系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的一種加密技術(shù)，其基于RSA公鑰密碼體制進行設(shè)計，不但可以對電子郵件信息進行加密保護防止非法用戶訪問，還可以實現(xiàn)對電子郵件信息的數(shù)字簽名。
1 PGP加密算法原理
PGP加密系統(tǒng)是采用公開密鑰加密與傳統(tǒng)密鑰加密相結(jié)合的一種加密技術(shù)。PGP公開密鑰加解密使用一對非對稱的鑰匙，其中一個（公鑰）用來加密信息，另一個（私鑰）用來解密信息。PGP傳統(tǒng)加密技術(shù)部分所使用的密鑰稱為“會話密鑰”（sek）。每次使用時，PGP都會隨機產(chǎn)生一個128位的IDEA會話密鑰，用來加密報文。公開密鑰加密技術(shù)中的公鑰和私鑰則用來加密會話密鑰，并通過它間接地保護報文內(nèi)容[1]。
1.1 PGP核心算法-RSA算法
RSA是目前最有影響力的公鑰加密算法，它能夠抵抗到目前為止已知的絕大多數(shù)密碼攻擊，已被ISO推薦為公鑰數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)。RSA算法的工作原理簡要介紹如下。
⑴ 任意選取兩個不同的大質(zhì)數(shù)p和q，計算乘積r=p*q。
⑵ 任意選取一個大整數(shù)e，e與（p-1）*（q-1）互質(zhì)，整數(shù)e用做加密密鑰。注意：e的選取是很容易的，例如，所有大于p和q的質(zhì)數(shù)都可用。
⑶ 確定解密密鑰d：d*e=1 mod （p-1）*（q-1）根據(jù)e、p和q可以容易地計算出d。
⑷ 公開整數(shù)r和e，但是不公開d。
⑸ 將明文P加密成密文C，C=Pe mod r。
⑹ 將密文C解密為明文P，P=Cd mod r。
雖然RSA算法在密鑰長度達到600位以上（通常加密過程中我們選取1024位），可以獲得良好的加密安全性能，但是RSA算法仍存在以下不足：
產(chǎn)生密鑰很麻煩，受到素數(shù)產(chǎn)生技術(shù)的限制，因而難以做到一次一密；
RSA的安全性依賴于大數(shù)的因子分解，但并沒有從理論上證明破譯RSA的難度與大數(shù)分解難度等價，而且密碼學(xué)界多傾向于因子分解不是NP問題；
速度太慢，由于RSA的分組長度太大，為保證其安全性，n至少也要600bits以上，這樣使得運算代價很高，而且隨著大數(shù)分解技術(shù)的發(fā)展，這個長度還在增加，不利于數(shù)據(jù)格式的標(biāo)準(zhǔn)化。
1.2 報文加密算法-IDEA算法
IDEA算法是一種數(shù)據(jù)塊加密算法，類似于DES算法，它設(shè)計了一系列加密輪次，每輪加密都使用從完整的加密密鑰中生成的一個子密鑰。與DES算法不同之處在于，它采用軟件實現(xiàn)和采用硬件實現(xiàn)同樣快速。
IDEA是一種由8個相似圈（Round）和一個輸出變換（Output Transformation）組成的迭代算法。IDEA的每個圈都由三種函數(shù)：模（216+1）乘法、模216加法和按位XOR組成。
在加密之前，IDEA通過密鑰擴展（Key Expansion）將128bit的密鑰擴展為52Byte的加密密鑰EK（Encryption Key），然后由EK計算出解密密鑰DK（Decryption Key）。EK和DK分為8組半密鑰，每組長度為6Byte，前8組密鑰用于8圈加密，最后半組密鑰（4Byte）用于輸出變換。IDEA的加密過程和解密過程是一樣的，只不過使用不同的密鑰（加密時用EK，解密時用DK）[2]。
密鑰擴展的過程如下：
⑴ 將128bit的密鑰作為EK的前8byte；
⑵ 將前8byte循環(huán)左移25bit，得到下一8byte，將這個過程循環(huán)7次；
⑶ 在第7次循環(huán)時，取前4byte作為EK的最后4byte；
⑷ 至此52byte的EK生成完畢。
IDEA算法相對來說是一個比較新的算法，其安全性研究也在進行之中。在1997年的EuroCrypt'97年會上，John Borst等人提出了對圈數(shù)減少的IDEA的兩種攻擊算法：對3.5圈IDEA的截短差分攻擊（Truncate Diffrential Attack）和對3圈IDEA的差分線性攻擊（Diffrential Linear Attack）。雖然這兩種攻擊算法對整8.5圈的IDEA算法不可能取得實質(zhì)性的攻擊效果，但隨著現(xiàn)代計算機技術(shù)的高速發(fā)展，這必將導(dǎo)致IDEA算法被攻破的可能性大大增加。
1.3 PGP加解密過程
使用公開密鑰對文件進行加密傳輸?shù)膶嶋H過程包括以下四步：
⑴ 發(fā)送方生成一個自己的私有密鑰并用接收方的公開密鑰對自己的私有密鑰進行加密，然后通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)浇邮辗剑?/p>
⑵ 發(fā)送方對需要傳輸?shù)奈募米约旱乃接忻荑€進行加密，然后通過網(wǎng)絡(luò)把加密后的文件傳輸?shù)浇邮辗剑?/p>
⑶ 接收方用自己的私有密鑰進行解密后得到發(fā)送方的私有密鑰；
⑷ 接受方用發(fā)送方的私有密鑰對文件進行解密得到文件的明文形式。
因為只有接收方才擁有自己的私有密鑰，所以即使其他人得到了經(jīng)過加密的發(fā)送方的私有密鑰，也因為無法進行解密而保證了私有密鑰的安全性，從而也保證了傳輸文件的安全性[3]。
2 PGP技術(shù)在電子郵件系統(tǒng)中的應(yīng)用
該過程使用虛擬機環(huán)境模擬實際過程。本次實驗需要兩臺互相連通的計算機，其中一臺做服務(wù)器，另外一臺做客戶機（為方便，一臺稱為win2003，一臺稱為winxp），并準(zhǔn)備Winwebmail（局域網(wǎng)郵件服務(wù)器軟件）和PGP 8.1軟件。
⑴ 創(chuàng)建郵件服務(wù)器
開啟一臺win2003，IP地址設(shè)為192.168.100.100，在其上安裝Winwebmail作為局域網(wǎng)內(nèi)的郵件服務(wù)器軟件，并創(chuàng)建郵件賬戶lisi@system.com和zhangsan@
system.com，以便局域網(wǎng)用戶lisi能發(fā)送郵件給用戶zhangsan。
⑵ 對服務(wù)器及客戶機上的Outlook Express進行設(shè)置
開啟這臺win2003上的Outlook Express，添加賬戶zhangsan@system.com， SMTP及POP3服務(wù)器地址均為192.168.100.100。同樣開啟winxp這臺電腦上的Outlook Express，添加賬戶lisi@system.com， SMTP及POP3服務(wù)器地址均為192.168.100.100。這樣在xp電腦上就能用lisi賬戶發(fā)送一封郵件給服務(wù)器上的zhangsan賬戶，并且在服務(wù)器上的zhangsan也能馬上接收到這封郵件。
⑶ 在win2003上安裝PGP軟件及生成鑰匙對
使用PGP之前，首先需要生成一對密鑰，這一對密鑰其實是同時生成的，其中的一個稱為公鑰，意思是公共的密鑰，可以把它分發(fā)給郵件發(fā)送者，讓他們用這個密鑰來加密文件，另一個稱為私鑰，這個密鑰由用戶自己保存，用這個密鑰來解開加密文件。通過打開“開始”菜單中“PGP”子菜單下的“PGP KEYS”，或點擊桌面上的PGP KEYS圖標(biāo)或者用菜單key>new key來開始生成密鑰對。
第一步，PGP提示這個向?qū)У哪康氖巧梢粚γ荑€，可以用它來加密文件或?qū)?shù)字文件進行簽名。這里是用來進行郵件的加密。
第二步，PGP要求輸入全名和郵件地址。這里輸入的是zhangsan@system.com。
第三步，指定密鑰的長度。通常來說位數(shù)越大，被解密的可能性就越小越安全，但是在執(zhí)行解密和加密時需要更多的時間，這里選擇1024位。
第四步，請重復(fù)輸入密碼。密碼大于8位，并且最好包括大小寫、空格、數(shù)字、標(biāo)點符號等，該界面上的“Hide Typing”含義是指示是否顯示鍵入的密碼。
第五步，接下來PGP會花一點時間來生成zhangsan的密鑰，然后會問是否想把zhangsan公共密鑰發(fā)送到服務(wù)器上去。這里選擇否。接下來按照向?qū)擅荑€。
第六步，在PGP軟件上用快捷鍵Ctrl+E或者菜單keys>Emport 將zhangsan的公鑰導(dǎo)出為擴展名為asc或txt的文件，比如zhangsan.asc。
第七步，啟動該機上的Outlook Express軟件，把郵件接收者zhangsan的公用密鑰zhangsan.asc發(fā)給郵件發(fā)送者lisi。
⑷ 在winxp上安裝PGP軟件，并導(dǎo)入公鑰
第一步，啟動xp上的Outlook Express，進入lisi賬戶接收郵件，把zhangsan的公用密鑰zhangsan.asc保存在桌面上。
第二步，在該機器上安裝PGP軟件，在其PGP界面上用Ctrl+M或keys>import導(dǎo)入zhangsan的公用密鑰zhangsan.asc。
⑸ 加密郵件（winxp）
第一步，啟動xp上的Outlook Express，進入lisi賬戶，單擊創(chuàng)建郵件，收件人地址輸入zhangsan@system.com，內(nèi)容輸入這是我的加密郵件，然后單擊任務(wù)欄上的PGP圖標(biāo)，在出現(xiàn)的菜單中，選擇current window--encypt，在出現(xiàn)的選擇加密用的密鑰對話框中，把上面對話框中的zhangsan
system.com發(fā)送了一封密文郵件。
⑹ 解密郵件（win2003）
第一步，啟動win2003上的Outlook Express，進入zhangsan賬戶，在收到的郵件列表中就能發(fā)現(xiàn)那封密文郵件，打開顯示亂碼。
第二步，單擊任務(wù)欄上的PGP圖標(biāo)，在出現(xiàn)的菜單中，選擇current window---decrypt & Verify，輸入zhangsan的私鑰的保護密碼，就能顯示郵件的內(nèi)容，如圖2和如圖3所示。
3 PGP中一些存在問題的解決方案
3.1 公鑰的防篡改
對PGP來說，公鑰本來就是要公開的，不存在防監(jiān)聽的問題。但公鑰的發(fā)布仍然可能存在安全性問題，例如公鑰被篡改（public key tampering），使得使用公鑰與公鑰持有人的公鑰不一致。這在公鑰密碼體系中是很嚴(yán)重的安全問題。因此必須幫助用戶確信使用的公鑰是與他通信的對方的公鑰[4]。
為了防止使用公鑰的人得到包含錯誤的公鑰，通過以下若干方法來降低這種風(fēng)險。
⑴ 直接從接收者手中得到其公鑰，這種方法有局限性。
⑵ 通過電話認(rèn)證密鑰：在電話上以radix-64的形式口述密鑰或密鑰指紋。密鑰指紋（keys fingerprint）就是PGP生成密鑰的160bit的SHA-1摘要（16個8位十六進制）。
⑶ 從雙方信任的C那里獲得接收者的公鑰。發(fā)送者A和接收者B有一個共同的朋友C，而C知道他手中的B的公鑰是正確的。C簽名的B的公鑰上傳到BBS上讓用戶去下載，如果A想要獲得B的公鑰，就必須先獲取C的公鑰來解密BBS上經(jīng)過C簽名的B的公鑰，這樣就等于加了雙重保險，一般不存在篡改而不被用戶發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象，即使是BBS管理員。
⑷ 由一個普通信任的機構(gòu)擔(dān)當(dāng)?shù)谌?，即“認(rèn)證機構(gòu)”。這樣的“認(rèn)證機構(gòu)”適合由非個人控制的組織或政府機構(gòu)充當(dāng)，來注冊和管理用戶的密鑰對[5]。
3.2 可信的PGP時間戳
PGP簽名上的時間標(biāo)戳是不可信的，因為任何一個想偽造“錯誤”時戳的人都可以修改系統(tǒng)時間來達到目的。而在商業(yè)活動中又有這種利用PGP簽名的時間來確認(rèn)責(zé)任的需要，因此就必須建立第三方的時間公證體系。很顯然，只要公證方在郵件上簽上標(biāo)準(zhǔn)的時間，就能解決這個問題。
對時間可靠性有要求的場合，可以采用國際標(biāo)準(zhǔn)時間戳協(xié)議RFC3161來解決。這個協(xié)議是建立在TSA可信的基礎(chǔ)上的[6]。
3.3 PGP信任和證書吊銷的問題
可以通過以下步驟來解決PGP信任和證書吊銷的問題：
⑴ 制定公鑰審查過程規(guī)范，以保證公鑰的真實性；
⑵ 建立介紹人可信度評價體系，用以判定介紹人所達到的信任等級；
⑶ 在一個相對獨立的用戶群體內(nèi)，設(shè)立一個或幾個公認(rèn)的介紹人，并根據(jù)評價體系對介紹人進行評估，得到介紹人的信任等級；
⑷ 用戶根據(jù)評價結(jié)果對自己的PGP軟件進行信任設(shè)置；
⑸ 每個介紹人都將經(jīng)過自己簽名的公鑰證書存放到統(tǒng)一的證書服務(wù)器中，以備查詢調(diào)用；
⑹ 每個介紹人都應(yīng)及時的將已吊銷的證書公布到證書服務(wù)器上；
⑺ 用戶從證書服務(wù)器下載所需的證書，證書的有效性驗證由PGP自動完成；
⑻ 用戶定期更新已下載到本地的證書，對于極其重要的通信場合，每次通信前都應(yīng)查詢證書服務(wù)器，檢查證書是否被吊銷。
通過上述辦法，每個用戶只需驗證少數(shù)公認(rèn)介紹人的公鑰，大大減輕了管理負(fù)擔(dān)。
4 結(jié)束語
雖然PGP是一個基于RSA公鑰加密體系的郵件加密軟件，但它并不是一種完全的非對稱加密體系，它是一種由對稱加密算法（IDEA）、非對稱加密算法（RSA）、單向散列算法（MD5）以及隨機數(shù)生成器（從用戶擊鍵頻率產(chǎn)生偽隨機數(shù)序列的種子）組成的混合加密技術(shù)，這些算法都是PGP不可分割的組成部分，PGP集中了這些算法的優(yōu)點，使它們彼此互補。PGP巧妙的將常規(guī)密鑰加密和公開密鑰加密緊密結(jié)合起來，從而使會話安全得以保證。PGP支持1024位的公開密鑰與128位的傳統(tǒng)密鑰加密，能達到軍事級別的標(biāo)準(zhǔn)，完全能夠滿足電子郵件對于安全性能的要求[7]。
參考文獻（References）：
[1] 張瑞麗，楊坤偉，李吉亮.對電子郵件加密技術(shù)的分析與研究[J].
計算機技術(shù)與發(fā)展，2014：10，12，24
[2] 孫濤.基于RSA公鑰加密體系實現(xiàn)電子郵件加密[J].信息與
電腦（理論版），2014：156-159
[3] 楊柳.基于PGP系統(tǒng)的電子郵件安全機制的實現(xiàn)[J].計算機
安全，2013.1：5-7
[4] 石淑華，池瑞楠.計算機網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)[M].人民郵電出版社，
2012.
[5] 張明旺.電子郵件安全技術(shù)探討[J].計算機安全，2012.6：28-31
[6] 賀惠萍，榮彥，張?zhí)m.利用PGP軟件實現(xiàn)安全收發(fā)電子郵件[J].
計算機安全，2011.1：29
[7] 陸燕，張璐.PGP核心算法及其安全性探討[J].信息技術(shù)，
2011.3：8-9
